新型單牙輪鉆頭研究及應用

李坤燃

1 研究目的及意義

川西地區探井多用小尺寸鉆頭（6"左右）鉆頭鉆三開后的井段，以探明下部地層油氣資源。由于井眼直徑小，小尺寸牙輪鉆頭承壓小、軸承小，導致機械鉆速慢、鉆頭消耗多、起下鉆作業增加。如果使用金剛石鉆頭，價格昂貴，配套工具也不過關，鉆井效益沒有明顯的改善。

本文的主要目的是在新型單牙輪鉆頭前期科學研究、產品試制和臺架試驗的基礎上，進行工藝技術研究及應用，解決川西地區探井小井眼機械鉆速慢、鉆井效益低的實際生產難題。通過一定數量的鉆頭下井試驗，取得技術經濟指標，總結經驗，形成技術規范及配套措施，以利于進一步推廣應用，將科研成果轉化成生產力。

2 單牙輪鉆頭結構及原理

西南石油大學研制了一種新型小尺寸鉆頭，它主要由一個偏置的多錐形牙輪、一個圓柱形滾輪及兩個牙掌組成。其工作原理不同于球形單牙輪鉆頭，但是與三牙輪鉆頭的工作原理相同，主要依靠鉆頭牙輪牙齒的沖擊和壓入來破碎巖石，并且由圓柱形滾輪來修整井壁，還有兩個靠近井底的噴嘴，因此被稱為新型沖擊壓入式單牙輪鉆頭。與相同鉆頭尺寸的三牙輪鉆頭相比，該新型鉆頭的牙輪尺寸和軸承尺寸要大得多，因此，它可以承受較大的鉆壓，從而提高軸承和牙輪的使用壽命，進而提高機械鉆速和鉆頭使用壽命。

新型沖擊壓入式單牙輪鉆頭（見圖1）主要由鉆頭體1、牙掌5和它上面的單個多錐形牙輪6、牙掌11和它上面的滾輪12等組成，鉆頭體1上有連接螺紋2、泥漿流道3和軸承潤滑部件4等。牙掌5同三牙輪鉆頭一樣，有多錐形牙輪6、大小滑動軸承7和8、滾動軸承9、密封元件10。在牙掌5上，牙輪及軸頸的軸線布置得較低，而且以一定的軸傾角（b）和鉆頭體中心線相交（無移軸式）或不相交（移軸式）。多錐形牙輪采用不均勻交錯布齒，以全面破碎井底巖石。手掌形牙掌11上有保徑滾輪12、雙支承軸承13，同時在牙掌11內還有兩個泥漿通道及與通道相通的上噴嘴14和下噴嘴15。上噴嘴14主要清洗牙輪6。下噴嘴15主要清洗井底。在手掌形牙掌11的下部，多錐形牙輪頂部安裝有止推塊17，以保證牙輪在軸承失效的情況下，不致掉入井底。在牙掌11的下端和側面鑲嵌有硬質合金牙齒，下端牙齒的齒頂位置略高于由多錐形牙輪牙齒形成的井底齒坑，以便切削由多錐形牙輪破碎井底形成的井底齒坑凸起部分。在手掌形牙掌11的頂端，位于多錐形牙輪6旋轉運動的前方，有與牙掌11連接為整體的肋16，它對泥漿運動的上升產生局部阻擋。在多錐形牙輪旋轉運動的后方有足夠的空間，保證泥漿的上升流流動順暢無阻。

在鉆頭工作時，多錐形牙輪6沿井底滾動，依靠牙輪上不均勻排列的牙齒破碎井底巖石，其破巖方式與三牙輪鉆頭一致，以沖擊壓入為主。同時，除了依靠多錐形牙輪6的背錐牙齒和主錐上的外排齒圈牙齒的外緣來修整井壁之外，還主要依靠滾動12來修整井壁。在牙掌11的側面也布置有硬質合金齒，協同修整井壁。

圖1 新型沖擊壓入式單牙輪鉆頭

3 實鉆情況

通過新型單牙輪鉆頭實鉆對比研究可得，使用結果對比情況如表1所示。

表1 川豐131-1井使用結果對比情況

4 結語

單牙輪鉆頭鉆速接近PDC鉆頭，遠高于三牙輪鉆頭。由于PDC鉆頭對地層的適應性也不太好，因而鉆井指標也不突出，機械鉆速僅比單牙輪鉆頭高10%。雖然三牙輪鉆頭的型號適用于中軟地層，但鉆井指標仍不理想，機械鉆速比單牙輪鉆頭低20%。單牙輪鉆頭純鉆時間較短，主要原因是鉆井過程中鉆壓加得過高（最高達14T）。川豐131-1井所鉆地層對于鉆壓并不敏感，鉆壓過高不僅不能明顯提高鉆速，反而加速了鉆頭磨損。使用結果表明，在鉆頭與地層匹配并不理想的情況下，單牙輪鉆頭仍達到了較好的技術指標。

[1]喻開安，楊世良，鄧嶸.單牙輪鉆頭的應用前景[J].石油機械，1994，22（5）：49-52.

[2]喻開安.單牙輪鉆頭動力學研究[J].石油礦場機械，2009，（2）：11-14.

[3]趙彥，張福潤，郭煒.影響單牙輪鉆頭切削效率的原因分析[J].西南石油學院學報，2003，（2）：69-71.